建筑物下综合机械化充填开采机电及运输系统的研制

李凤锦 王宏奇 焦其峰

(冀中能源股份有限公司邢台矿,河北省邢台市,054000)

1 概述

如何解决煤矿区建筑物下压煤开采,以及固体废弃物矸石与粉煤灰的排放处理问题,是煤矿企业急需解决的重大技术难题之一。

邢台矿为了解决井田范围内建筑物下压煤问题设计了井下工作面矸石和粉煤灰充填系统。在充填物料的来源中,矸石来自本矿洗煤厂的洗选矸石,粉煤灰来自矸石热电厂的废弃物。为了将这两种工业废料作为井下采空区充填材料运输到采煤工作面采空区,邢台矿设计了井上和井下两大运输系统,在这两个运输系统之间还有大垂深投料系统。另外,该工作面所用的设备全部为新式的充填设备,因此它们之间的合理配套问题是这些设备能否正常发挥作用的关键。

2 井上运输系统

2.1 充填带式输送机

井上带式输送机走廊为邢台矿7606综采充填工作面运输系统的井上部分。该工作面的充填材料为选煤厂筛下洗矸(细矸粒度为50 mm×50 mm)和矸石电厂粉煤灰,在运输时,经一部井上充填带式输送机、两台翻转卸料阀和计量螺旋给料机分别将矸石和粉煤灰运至投料孔,按比例混合投入井下矸石仓,经井下甲带给料机、运矸带式输送机、带式转载机运抵工作面,由充填刮板输送机向采空区进行充填。

邢台矿首先对选煤厂细矸仓进行改造,在仓侧面开一个620 mm×620 mm方孔作为放料口,并对方孔周围进行加固。外接溜矸嘴至带式输送机走廊,经充填带式输送机运至投料孔。

矸石流量由电液动平板闸门控制,该闸门由江苏潮阳液压机械公司生产,型号为PZ-B50(500 mm×500 mm)。充填带式输送机为TD75-650型,为了与井下带式输送机配件具有互换性,对TD75-650型带式输送机进行改造,使其与井下DSP1010/650-2×22型带式输送机主要配件完全统一,其主要参数为:输送量100 t/h;输送长度55 m;带宽650 mm;带速1.6 m/s;电滚筒功率22 kW;直径ø500 mm。

粉煤灰运输采用2台30 t南京晨光公司生产的CGJ5312GFL型粉粒物料运输车,从矸石电厂4#灰仓装车经公路运输至投料孔处,用压缩空气打入两个粉煤灰仓。粉煤灰仓采用钢板仓,仓径为3.5 m,容量为60 t(75 m3)。压缩空气由车载空气压缩机供给,气压0.2 MPa。为保证顺利打灰作业,在空压机房增设了灰罐车外接气源,经减压阀减压到0.2 MPa后供灰罐车使用。

充填带式输送机采用变频控制,电子胶带秤计量,可随时调整给料量。

2.2 计量螺旋给料机

计量螺旋给料机为DGFL300×5000型,由单管调速计量螺旋秤、传感器、传动结构等几部分组成。

DGFL型计量螺旋给料机与计算机构成料流闭环控制环节,计算机通过检测传感器的料流重量信号与料流给定量进行比较,其偏差通过PID调节计算,输出-ΔY速度调节控制信号,通过变频调速控制器,调节螺旋给料机的转速,从而调节给料量,使料流恒定实现料流控制与计量。

充填带式输送机和计量螺旋给料机均采用变频控制,充填带式输送机与螺旋给料机联动,可以随时精确调整物料配比,精确计量给料量。物料配比经过多次试验,现在按10∶3进行充填,使用效果良好。

2.3 破拱装置

粉煤灰仓设计安装了料位计可指示仓内粉煤灰数量,当灰仓料位计指示灯亮时说明灰仓已满,带式输送机走廊控制台操作人员打铃指挥粉粒物料运输车司机停止向仓内打灰。为防止发生堵仓事故,在粉煤灰仓内设计安装了破拱装置,当发生堵仓时破拱装置的振动可使粉煤灰下落,解决堵仓问题。

2.4 仓顶除尘器

为了防止粉煤灰对环境造成污染,在粉煤灰仓和混料溜筒上方安装了MD-30型仓顶除尘器,除尘器由WM K-4型无触点脉冲控制仪控制。脉冲控制仪输出电信号的维持时间为脉冲宽度,输出两个电信号之间的时间为脉冲间隔。脉冲宽度和脉冲间隔均可通过控制仪前面板上的旋钮控制以使脉冲间隔时间加长。

2.5 井上运输系统的控制与保护系统

(1)井上带式输送机走廊的充填带式输送机、计量螺旋给料机、电子胶带秤、翻转卸料阀、破拱装置、仓顶除尘器等设备全部由胶带走廊操作台集中控制。

(2)安装摄像头实时监视,通过摄像头可以观测下料的过程。充填时操作工可以通过井上的监视画面清楚地观察到-210渣仓上口下料的情况,巷道内泄压管的泄压情况,以及水银压力测量装置的压力状况。当看到物料充满时及时停车,避免了以前充料过多导致投料管堵塞的现象。

(3)采用风压监测,在渣仓上口处安装风压监测器并将数据在井上操作室内显示出来。当不充填时显示为0.006左右,充填时风压将在0.015～0.030之间变化。若在正常的充填过程中出现风压迅速减小至0.010以下,则是因为渣仓已充满导致风压的减小,这时必须立即停止充填。

(4)在渣仓上口处安装了满仓信号保护,当渣仓充满物料堆积到一定程度时将触发该保护,并在井上的操作室内发出报警信号。这时操作工就可以通过报警信号知道渣仓已满,及时停车。

通过安装这些保护增加了充填系统运行的安全系数,确保了充填的顺利进行。

3 大垂深投料系统

由于综采充填工作面的填充材料矸石和粉煤灰来自地面,因此如何安全、高效地将充填材料从井上运输到井下是本项目需解决的难题之一。在通过调研分析和充分论证,决定采用垂直投料井输送。

垂直投料系统从井上到井下的投料落差在350 m左右,从地面以下300 m处为一个内径470 mm的投料管,为了能够保证在地面系统检修时井下有一定物料储存量,在距离投料管下口的50 m深度范围内设计了一个物料储存仓,储存仓下面安装一台甲带给煤机向井下运输系统给料。

物料输送过程:首先在井上运输系统中将矸石(直径小于50 mm)与粉煤灰分别通过充填带式输送机和粉煤灰仓的螺旋给料机同时运送到垂直投料井口的混合料斗中,通过自动控制将矸石与粉煤灰按照一定比例混合,然后通过垂直投料管呈自由落体状态落到投料管下口的缓冲装置上再落入下方的矸石仓中。再通过仓下口安装的给煤机装载到井下带式输送机上,进行矸石的井下运输,最后到达采煤工作面进行采空区回填。

3.1 投料管尺寸的确定

投料管筒直径的大小取决于两个因素——物料最大颗粒的直径和所需的物料量。管筒直径太小直接影响填料的输送且容易堵管,过大则增加经济成本以及影响井底的接料。一般取大于最大通过管道粒度3倍为圆管直径。根据填料的粒径不大于50 mm的特点,确定采用ø510 mm×12 mm耐磨钢管作为下料管。填充需求量50万t/a,考虑一定的富裕系数,设计运输能力不小于450 t/h。

对于投料管直径的确定,因其主要失效形式不是强度破坏而是容器丧失稳定性。所以设计时通常是采用保证其临界压力高于设计压力的方法,来保证管路在工作时的稳定性。

经分析计算投料管的壁厚为12 mm满足稳定性要求。但考虑填充物中矸石硬度较大,对钢管磨损严重,且井筒较深,经综合考虑,投料管选用耐磨管,外径530 mm,内径470 mm。

3.2 物料储存仓的设计

根据填充需求量按50万t/a设计,考虑1天填充物料储存量,则井下储料仓容积为520 m3。从井筒掘进实际情况考虑,储料仓直径选取为4.0 m,则深度为42.0 m,考虑储料仓上部需安设缓冲装置等因素,深度选取50.0 m。

由于充填物料含有一定的水分,且储料仓容量较大,因此储料仓容易发生堵仓现象,严重影响了充填开采的顺利进行。为此,在仓中安设了气体疏堵装置,由储料仓下部的储气罐存储一定的高压空气,当储料仓发生堵仓现象时,储气罐内的高压风通过风包和管路吹向堵仓部位,拥堵部位的物料在高压气流的冲击下发生松动,最终得到清理。

3.3 缓冲装置的设计

在垂直投料系统中,矸石与粉煤灰从地面向井下运输是呈自由落体型式通过直径470 mm、深度300 m的投料井的,由于投料井下方是物料储存仓和甲带式给煤机,为了减轻从地面投下的物料对矸石仓和给煤机的冲击,在投料管的下方设计了一套缓冲装置,当矸石从300 m高处落下时先通过该缓冲装置的缓冲,再落入物料储存仓。

3.3.1 冲击力分析

缓冲装置的设计是以承受物料下落的冲击力为基础的,因此冲击力的分析对缓冲装置材料的选取以及外形的设计至关重要。受力分析过程为充填物料直接由地面投到井下,考虑到充填物料经投料管落到缓冲装置上是个连续的过程,因此运用动量守恒原理对物料落到缓冲装置上时所产生的冲击力进行计算分析。

根据自由落体以及功能转化的相关知识原理,可以得冲击力:

式中:F——物料与缓冲装置发生碰撞时的冲击力,kN;

g——当地重力加速度,m/s2;

H——投料高度,即投料管长度,m;

v1——物料下落的初速度,即传动带的速度,m/s;

Q——小时投料能力,t/h。

将v1=2 m/s,Q=450 t/h,g=10 m/s2,H=300 m带入公式(1)中,得到物料由井口投入到达缓冲装置时的速度为77.49 m/s,冲击力F为9.68 kN,相当于0.968 t重物的压力。由于投料过程中还伴有空气阻力的作用,计算得出的冲击力以及压应力均可视为最大值。

3.3.2 缓冲装置的结构

图1 缓冲装置结构示意图

根据落料程度和冲击力分析情况,设计缓冲器样式为伞形,即充填料下落的直接接触面为锥形面。缓冲器由缓冲垫、铸钢伞架、导向杆、缓冲弹簧组和底座等组成,经现场试验,该设施可以承载充填料落下的冲击力。缓冲装置结构示意图见图1。

最外面是一套缓冲垫,由钢丝绳芯强力胶带制作而成,既可以缓冲矸石块的冲击,又可以减小冲击噪声。缓冲垫下面是承受物料冲击的主要部件——铸钢底盘,外形是一个圆锥形壳体,上面设计有螺纹孔,可以用沉头螺栓把缓冲垫固定到上面,铸钢底盘内部设有支撑钢板作为支撑骨架,以增强缓冲装置的整体刚性。

导向杆设在铸钢伞架的下方,它与底座上的导向套配套使用,可以在里面自由上下运动,其作用是在缓冲器受到物料冲击而上下窜动时防止整体歪斜,起导向作用。

缓冲弹簧组由16套弹簧组成,可以承受瞬时流量在450 t/h时的冲击,这些弹簧支撑在铸钢伞架和底座之间,能很好地吸收整个缓冲器所受到的冲击力。

4 井下运输系统

邢台矿7606综采充填工作面井下矸石与粉煤灰运输系统由1套甲带式给煤机、4部DSP1010/650型带式输送机、1套可伸缩带式转载机和1套吊挂式刮板输送机组成。

首先,矸石与粉煤灰通过垂直投料系统的物料储存仓下口的甲带式给煤机送料,然后到达第一、二部DSP1010/650型普通带式输送机,当运输到第三、四部带式输送机时变为倒拉运输,再到带式转载机,在井下运输的最后一个环节是充填式刮板输送机,它是悬挂在液压支架每架的后尾梁上面的。

4.1 甲带给煤机

在矸石仓下口是1套GLD2000/7.5/S型甲带给煤机,运输量为200～1200 t/h,采用变频调速控制,可以方便地进行运量调节。

4.2 DSP1010/650型带式输送机

在给煤机下方是两部DSP1010/650带式输送机,在第一部带式输送机的机头部位安装有电子秤,可以监控矸石和粉煤灰的运输量。第二部正常布置,而第三部和第四部DSP1010/650带式输送机的采用的是倒拉形式,目的是为了配合工作面的推移而方便缩减胶带。另外,为了增加运输的矸石和粉煤灰的湿度,在每部带式输送机的转载点处都装有喷雾装置。

由于矸石和粉煤灰在较湿的情况下很容易粘接到胶带上,因此除了在胶带上使用一般的清煤器外,还应用了新型的SC16型二级胶带清扫器,它可以清除90%以上的粘附物料。

4.3 带式转载机

带式转载机既要和DSP1010/650型带式输送机配套,使矸石落到它的卸料槽中,又要和吊挂式刮板输送机配套,将带式转载机的矸石输送到吊挂刮板输送机的机尾上,是运输系统的一个很重要的环节。该带式转载机运输能力为100 t/h,和DSP1010/650带式输送机的运输能力相等,可满足运输要求。带式转载机结构示意图见图2。

该转载机总长15 m,分为3段,前段为卸料部,直接和吊挂输送机机尾搭接实现落料;中间段为动力部,它由一个7.5 kW的电动滚筒提供动力,另外还设有张紧装置,实现胶带的张紧作用;后段为受料部,从DSP1010/650型带式输送机卸载的物料直接落到其上。带式转载机设有两个铰接支撑点,在带式转载机中间动力部设有一个大滑靴,通过销轴与机架铰接,既可以实现整个胶带的支撑,又可以在带式转载机进行拉移时,起到支撑作用。在带式转载机前端卸料前部设有一个小滑靴,通过其支撑点连接到调高千斤顶上,通过其伸缩,可以实现带式转载机的高度调节。整个带式转载机可以通过拉移千斤顶实现随着工作面的推进而移动。

图2 带式转载机结构示意图

带式转载机机尾框架如图3所示,由卸载滚筒、机尾框架、框架滑移底板及其他附属部件组成,带式转载机尾部可以伸到第四部DSP1010/650型倒拉带式输送机机尾框架内,该框架可以对转载胶带起到导向作用,保证拉移带式转载机时不产生歪斜。这样随着工作面推进而拉移带式转载机时可以不用移动DSP1010/650型带式输送机机尾框架,在带式转载机缩到头时再拉移带式转载机尾框架,由于它与运矸带式输送机机尾有3 m的重叠长度,在这3 m距离内只是移动自移式矸石与粉煤灰带式转载机,而不需要频繁移动运矸带式输送机机尾。

图3 带式转载机机尾框架示意图

4.4 充填刮板输送机

4.4.1 结构

充填刮板输送机是悬挂在液压支架后尾梁上的,采用的是SGB620/40T刮板机的机头传动部,目的是减小传动部的外形尺寸,以便于吊挂到支架的尾梁上。机头传动部采用40 kW单电机液力耦合器传动,目的是在刮板机被卡拌住时起缓冲作用,避免断链等事故。

为了增加中部槽的结构强度和连接的可靠性,中部槽采用SGB630/150C刮板机的溜槽,每隔一个中部槽设置有一个开窗口漏料槽,以便在输送机运料时漏料,在开口处设有一个活动插板,插板两侧和拉移千斤顶相连接,漏料量的多少是通过调节千斤顶伸缩控制的。由于该输送机为悬挂式,在每节溜槽的槽帮上设计有4个起吊块,通过U型连接环和支架的滑移板相连接,实现悬挂。

机尾部也采用SGB620/40T刮板机的机尾部,目的也是尽量减小其高度,可以使中部槽尽量吊挂得高些。机尾过渡槽的结构比较特殊,它在过渡槽底板上设计了一个长度为800 mm的托梁,可以用它将机尾部托起悬挂在支架的外侧面,这样就使得带式转载机可以将物料卸载到充填刮板输送机上进行架后充填。

4.4.2 充填方式

充填顺序由下向上,当下面一个卸料孔落料到一定高度后,即关闭卸料孔,再开启上一个充填卸料孔,随即启动夯实千斤顶推动铲板,对已落下的充填材料进行压紧夯实,如此反复几个循环,直至采空区充满压实;调节千斤顶用于调节夯实千斤顶和铲板的角度,可使充填料在支架后部接顶,从而实现完全充填。综采工作面生产系统、充填系统融合为一体,回采、充填同时进行。充填材料经上巷输送机运至综采工作面上端头,再由充填刮板输送机将材料运至综采面的采空区进行充填。

4.4.3 卸料孔

(1)卸料孔形状确定。所设计充填刮板输送机卸料孔的形状可以有很多的选择,如圆形或方形。但在同面积卸料孔的条件下,使卸料孔下方矸石与粉煤灰的堆积体积最大(也即落料效果最好)是确定卸料孔形状的依据。

以设计圆形和正方形卸料孔为例,分析卸料孔形状的优化选择问题。假设卸料孔的面积为S,设悬挂在充填液压支架后部尾梁下的充填刮板输送机距底板的距离为h,矸石与粉煤灰的自然安息角为φ,可知棱台的底面积大于圆台形。由于两者的高度相等,棱台的体积要大于圆台的体积,即V方>V圆,所以选择正方形孔比较合理。

(2)充填刮板输送机卸料孔间距优化设计。由理论分析及以往现场试验设计得出比较合理的卸料孔形状尺寸及其间距。卸料孔的形状设计为长方形,其尺寸为500 mm×400 mm;卸料孔间距设计为3 m,工作面下方的孔应尽量靠近机头。该尺寸的卸料孔有助于提高矸石与粉煤灰充填的质量,同时有利于充分发挥充填系统各设备的性能,提高矸石与粉煤灰充填的效率。如果卸料孔孔径尺寸过小,会影响充填效率;如果孔径过大,会降低充填刮板输送机的结构强度,影响充填刮板输送机的使用寿命,造成一定的安全隐患。

同理,如果卸料孔的孔间距过密会降低充填刮板输送机的结构强度,如果孔间距过大,则无法充满整个采空区,达不到充填要求。经分析后,设计充填刮板输送机上卸料孔为16个,隔开1个槽设1个。

5 设备配套设计

邢台矿7606工作面采煤设备包括MG200/466采煤机、SGZ764/400型侧卸式输送机、SGZ764/132可弯曲转载机、带式转载机和ZCC4800/16/32充填式液压支架等。其中充填式液压支架的结构和传统的设计完全不同,它既可以实现和输送机、采煤机配合采煤,又可以和支架后部所吊挂的充填刮板输送机和带式转载机相配套实现矸石回填。因此采煤机、刮板输送机、支架、充填刮板机及带式转载机之间的配套尺寸直接关系到所有的设备是否可以正常使用。工作面各设备的配套示意图见图4。

5.1 回采工作面设备配套布置

工作面设备由ZCC4800/16/32型液压支架、MG200/466采煤机、SGZ764/400型侧卸式输送机及SGZ630/150型充填刮板输送机组成。

ZCC4800/16/32型液压支架采用整体顶梁、铰接尾梁、Y型正四连杆四柱支撑式,总长7450 mm。最大支撑高度3.2 m,采煤机最大采高3.3 m,最小控顶距为340 mm。

该支架的最大特点是设计了尾梁和捣实机构,尾梁长2500 mm,通过销轴铰接在顶梁上,可以通过千斤顶调节摆角,适应顶板变化。充填刮板输送机是向采空区落料的设备,它通过链环吊挂在尾梁上,并且可以通过拉移千斤顶实现700 mm的横向移动,在充填时刮板输送机靠近采空区侧,在捣实时拉到靠近支架顶梁侧,避免了刮板机和捣实机构的干涉。

捣实机构安装在支架底座后方,由挡矸座推移框架、推移铲板和千斤顶组成。推移铲板在捣实动作时可以伸出并上下摆动,将矸石和粉煤灰推向采空区,经过几次的推捣动作将矸石和粉煤灰压实。

图4 工作面各设备的配套示意图

对于支架移架速度的确定:

支架移架速度VZ可按下式估算。

式中:Qb——泵站流量,取400 L/min;

A——支架中心距,取1.5m;

∑Qi——一架支架全部立柱和千斤顶同时动作所需的液体容积,取102 L;

Kx——泄漏损失系数,取1.05。将相关参数代入公式(2)得移架速度为5.6 m/min。

为保证高产高效工作面采煤机连续割煤,整个工作面的移架速度不应小于采煤机连续割一刀的平均割煤速度,即要求满足

式中:Kzc——采支速度比,取1.3;

Vc——平均割煤速度,取2.5 m/min。

将相关参数代入公式(3)中,可得移架速度应不小于3.25 m/min。

5.2 工作面机头部设备布置

邢台矿7606充填工作面共安装充填支架34架,为了能够在两个巷道内多充填物料,运输巷侧第1架充填式支架距离巷道外边1300 mm,这样既可以留有人员观察空间,又可以使得吊挂刮板输送机有一个卸载空间。由于在运输巷侧SGZ764/400型输送机为侧卸式,减速机垂直布置,因此减速机在运输巷内,在侧卸式输送机的最外边与巷道留有1100 mm的行人空间。工作面运输巷侧设备布置见图5。

图5 工作面机头部运输巷侧设备布置

机头链轮轴中心线和第1架支架的中心距离为500 mm,和转载机的中心线距离为1500 mm,这样保证转载机的盲轴距离运输巷道内边有一定的空间,不影响转载机的移动。

充填刮板输送机机头传动部吊挂在第1架支架后尾梁正下方,过渡槽和普通槽由于都是1.5 m的长度,因此每个支架后尾梁上都挂一节溜槽。

5.3 工作面机尾部设备配套

为了使得输送机机尾部最后两架液压支架和中间液压支架的推移点位置在一条直线上,并且考虑该工作面长度较短,因此改造了推移部和推移横梁,使之推移点和中部槽的推移点一致,这样输送机机尾部就不设传动装置了。

为了最大限度的使矸石充填到运料巷中,并保证机头部正常配套(液压支架最少占巷400 mm)的情况下,运料巷的最后一架支架占巷1700 mm,机头链轮轴中心线和第1架支架的中心距离为1500 mm。

运料巷最后一架液压支架的顶梁外沿距运料巷上帮2300 mm,矸石带式转载机必须在此空间内向支架后尾梁的充填刮板输送机机尾转载矸石。为了保证充填刮板输送机的机尾距离运料巷上帮有一定的间隙,用与机尾相连的过渡槽上长度500 mm的托梁把机尾部托住,因此机尾部有长1500 mm是悬空外露的,机尾外壳距离巷道上帮为800 mm,有足够的自由空间以适应巷道的变化。

矸石带式转载机总宽度940 mm,胶带宽度650 mm,卸载滚筒搭接在充填刮板输送机的机尾上。采用7.5 kW的电滚筒驱动,布置在SGZ764/400输送机的前方,带式转载机可以跨过其机头架与吊挂式充填刮板输送机机尾搭接,可以将矸石和粉煤灰从带式转载机上运输到吊挂式充填刮板输送机上进行架后充填。

6 结语

邢台矿综采充填工作面充填用的矸石和粉煤灰通过井上运输系统到大垂深投料系统,再到井下运输系统,最后到达工作面采空区后方,每一个环节都特别重要,邢台矿对每一个细节都进行了可靠的分析和设计,使得该运输系统运行良好,为整个充填项目的成功提供了可靠保障。

工作面的设备通过以上方案的设计布置,使设备之间的配套尺寸合理,各个设备的性能可以很好地发挥,从而使该工作面可以顺利地进行采煤并同时进行矸石和粉煤灰充填。另外,由于所用的设备都是在全国首创,所以还存在一些比如吊挂式刮板输送机的运力不足、可以弯曲的角度不大、带式转载机自拉移距离短等问题,为此邢台矿也在积极探索改进中。

该项目开创了综采面充填采煤技术的新局面,填补了煤矿高效机械化充填采煤技术的空白,为我国类似条件下的“三下”压煤合理回收开创了一条新的技术途径,其科学与工程研究意义十分重大,具有广阔的推广应用前景。

[1] 沈鸿.机械工程手册[M].北京:机械工业出版社,1982

[2] 徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社(第二版),2001

[3] 吴宗泽.机械结构设计准则与实例[M].北京:机械工业出版社,2006